夹点法设计能量最优的换热网络——李俊乾

无外界输入热量 Ik Qk 10 -2.5 -107.5 27.5
外界输入最小热量 Ik 107.5 117.5 105.0 0 Qk 117.5 105.0 0 135.0
SN1 SN2 SN3 SN4
－10 12.5 105.0 -135.0
0 10.0 -2.5 -107.5
SN5
SN6
82.5
夹点
夹点
冷端
SN5 -55 kw
SN6 -67.5 kw
a 未加公用设施加热负荷
SN6 QC min=40 kw
b 加入公用设施加热负荷
得到如下信息： （1）夹点处，热物流温度在90oC、冷物流温度70oC。 （2）最小公用工程加热量 （3）最小公用工程冷却量
物流 热容 初始
Q H min = 107.5 kW Q C min = 40 kW
12.5
27.5
-55.0
-55.0
-67.5
135.0
52.5
52.5
40.0
0 kw SN1 热端
QH min=107.5 kw SN1 热端 117.50 kw SN2 105 kw SN3 0 kw SN4 135 kw 冷端 SN5 52.5 kw
10 kw SN2
-2.50 kw SN3 -107.50 kw SN4 27.5 kw
夹点设计法的要点 （1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。
（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点匹配可行性规则
及经验规则。 （3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约束紧张时还应遵 循可行性规则。 （4）考虑换热系统的操作性、安全性，以及生产工艺上特殊要 求等。
[例] 一换热系统，包含的工艺流股为两个热物流和两个冷物流，
◆ 将热流股2分支，与冷流股1、2实现夹点匹配。
方案 1
夹点冷端的流股匹配（1）
方案 2
夹点冷端的流股匹配（2）
具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案 说明：该方案是初始设计方案。
说明：该规则保证了夹点匹配中的传热温差不小于允许的最
小传热温差Tmin 。离开夹点后，由于物流间的传热温差都增 大了，所以不一定遵循该规则。
2 物流间匹配换热的经验规则
经验规则1 每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配 中热负荷较小者，以保证经过一次换热，既可以使一个物流达 到规定的目标温度，以减少所用换热设备的数量。 经验规则2 应尽量选择热容量流率相近的冷、热流体进行匹配换 热，使得换热器在结构上相对合理，且在相同的热负荷及相同的 有效能损失下，其传热温差最大。 说明: （1）采用经验规则时，经验规则1优于规则2； （2）经验规则对离开夹点的其余物流匹配换热也是合适的。
125 100
240.0
262.5 225.0
问题表格（1） 子网络序号 冷物流及其温度 k C1 C2 SN1 SN2 SN3 SN4 热物流及温度 H1 H2
150 125 145 100 70 40 120 90 60
SN5
SN6
25
20
问题表格（2）
子网络 序号 赤字Dk kW 热量 kW 热量 kW
◆ 热容流率符合可行性规则2：
CPH<CPC
(热流股热容流率2.0, 冷流股热容流率 2.5、3.0)
◆ 按经验规则，应使热流股1与冷流股1匹配。
夹点热端的流股匹配
（2）冷端的设计
分析：
◆ 流股数符合规则1：
NH ≥ NC
CPH ≥ CPC
(热流股数 2，冷流股数2)
◆ 热容流率不符合规则2：
(热流股热容流率2.0、8.0， 冷流股热容流率 2.5、3.0)
夹点法设计能量最优的 换热网络
李俊乾
14102932
夹点设计法的基本原则：
(1) 应该避免有热流量通过夹点； (2) 夹点上方避免引入公用工程冷却物流； (3) 夹点下方避免引入公用工程加热物流 。 说明：违背以上三条基本原则，就会增大公用工程负荷及相 应的设备投资。
1 夹点处物流间匹配换热的可行性规则
1
H1
1 2
H2
C3 C4
2
C5
H
(a) (b) (a)热端夹点处不可行的匹配
(b)热端夹点处的可行匹配（采用冷物流分支） (c)热端夹点处的可行匹配（采用设置加热器H)
（C）
② 对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目NH不小 于冷工艺物流（包括其分支物流）的数目NC , 即：
N H NC
夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相通，即同
一端具有夹点处的温度。
夹点匹配
夹点匹配 非夹点匹配
非夹点匹配
（1）夹点匹配可行性规则1： ① 对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目NH不 大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：
NFra Baidu bibliotekH NC
3
H1 H2 H3 C4 C5
3 1 2
3
2
H1 1 H2 C3
1 2 C
H1 H2 H3
1
C4
C5
C4
C5
（d ）
(e)
（f ）
（d）冷端夹点处不可行的匹配 （e）可行的匹配采用热物流分支
（f）可行的匹配设置冷却器C
（2）夹点匹配可行性规则2
① 夹点上方，每一夹点匹配中热物流的热容流率CPH小于
或等于冷物流的热容量流率CPC,即： CPH ≤ CPC ② 夹点下方，每一夹点匹配中热物流的热容流率CPH大于 或等于冷物流的热容量流率CPC,即： CPH ≥ CPC
给定的数据见下表，指定热、冷物流间允许的最小传热温差 △Tmin=20℃。现设计一换热器网络，要求其具有最大的热回 收。
物流 标号 热容 流率 初始 温度
oC
目标 温度
oC
热负荷
kW/ oC
CP H1 2.0
kW
Q 180.0
Ts 150
Tt 60
H2
C1 C2
8.0
2.5 3.0
90
20 25
60
目标 热负荷 kW Q 180.0 240.0 262.5 225.0
标号
流率
kW/ oC CP
温度
oC
温度
oC
Ts 150 90 20 25
Tt 60 60 125 100
H1 H2 C1 C2
2.0 8.0 2.5 3.0
（1）热端的设计
分析：
◆ 流股数符合可行性规则1：
NH <NC
(热流股数 1，小于冷流股数2)